РЕАКТОР С НЕСИММЕТРИЧНЫМ ПЕРЕМЕШИВАЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ Российский патент 1994 года по МПК B01F7/16 

Предлагаемое техническое решение относится к емкостным аппаратам - реакторам, предназначенным для проведения различных химико-технологических процессов, в которых требуется интенсивное перемешивание жидких сред, в том числе повышенной вязкости во всем объеме аппарата. Оно может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства - химической, целлюлозно-бумажной, микробиологической, пищевой и др. Данное техническое решение найдет широкое применение для растворения крошки каучука в стироле в производствах ударопрочного полистирола и пластика-АБС.

Известно техническое решение аппарата-реактора, содержащее привод с жесткозакрепленным приводным валом, соединенным посредством шарнира с рабочим валом, на котором установлены перемешивающие устройства. Это техническое решение позволяет организовать как процессионное движение рабочего вала с перемешивающими устройствами, так и вращение самого вала вокруг собственной оси, что повышает интенсивность перемешивания жидких сред, по сравнению с общепромышленными нормализованными перемешивающими устройствами.

Известное техническое решение имеет ряд существенных недостатков, среди которых следует отметить два основных:
1. Шарнирно соединенные рабочие валы, на которые устанавливаются перемешивающие устройства, имеют круглое, цилиндрическое сечение. Такая форма вала вызывает большую трудоемкость при их изготовлении, особенно, для крупногабаритных реакторов объемом 400-600 м³ и более, где диаметры валов достигают 300 мм при длине 6000-8000 мм. Их изготавливают из дорогостоящих поковок с большими припусками, а при механической обработке до 20-25% металла (часто очень остродефицитного и высоколегированного) идет в стружку. Все это делает круглые цилиндрические валы химических аппаратов одним из весьма дорогостоящих узлов.

2. С точки зрения гидродинамики перемешивания круглая цилиндрическая форма является менее совершенной по сравнению, например, с плоской пластичной. Так, коэффициент гидравлического лобового сопротивления тела круглой цилиндрической формы составляет всего 0,63-0,98, а плоской формы 1,16-2,0; то совершенно очевидно, что круглые цилиндрические рабочие валы при своем вращении в прецессионном движении практически в процессе перемешивания и обрабатывания жидкой среды не участвуют, а для воздействия на обрабатываемую среду на них устанавливают специальные органы - лопасти, турбинные мешалки, лопатки и другие перемешивающие элементы.

Таким образом, в известном решении круглые цилиндрические рабочие валы являются весьма трудоемким и дорогостоящим узлом, а в процессе перемешивания они играют, в основном, только роль несущего элемента перемешивания, но не самого элемента перемешивания.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков известных решений, а именно снижение металлоемкости и трудоемкости изготовления реакторов путем исключения рабочих валов круглой цилиндрической формы и повышение интенсивности процесса перемешивания.

Поставленная цель достигается тем, что в реакторе установлено перемешивающее устройство, шарнирно закрепленный рабочий вал которого выполнен в виде плоской пластины, продольная ось симметрии которой установлена с эксцентриситетом относительно продольной оси симметрии вала привода, причем одним из преимущественных вариантов использования плоского вала является выполнение его из двух или нескольких плоских пластин, установленных одна к другой под углом, причем общая продольная ось симметрии всех пластин также установлена с эксцентриситетом относительно продольной оси вала привода.

Выбор геометрической формы аппарата и перемешивающего устройства в виде плоского рабочего вала, состоящего из одной пластины или в комбинации из нескольких пластин, расположенных под углом одна к другой зависит от конкретных условий и параметров перемешиваемых сред и требований регламента химико-технологического процесса (вязкость и плотность сред, наличие и соотношение твердой и жидкой фаз, гранулометрический состав твердой фазы, газосодержание и др.).

На фиг.1 показан продольный разрез реактора с шарнирно закрепленным несимметричным перемешивающим устройством в виде одной плоской пластины, где тонкими штрих-пунктирными линиями показаны крайние отклонения пластины при их прецессионном вращении; на фиг.2 показаны различные варианты выполнения несимметричной пластины как перемешивающего устройства, состоящего из нескольких пластин под углом одна к другой.

Реактор содержит корпус 1, который при необходимости может иметь теплообменную рубашку 2. На крышке установлена стойка с мотор-редуктором 3, который приводит жесткозакрепленный в подшипниках 4 приводной вал 5 во вращательное движение. На нижнем конце вала 5 крепится шарнир 6, который представляет собой шарнир Гука. К подвижной части шарнира присоединено перемешивающее устройство в виде плоской пластины. Причем основной особенностью установки пластины является то, что она установлена по отношению к оси шарнира 6 и приводного вала 5 несимметрично с эксцентриситетом б, т.е. продольная ось симметрии пластины 7 смещена относительно продольной оси симметрии круглого вала 5 на величину б.

Такое несимметричное расположение пластины-лопасти повышает интенсивность перемешивания обрабатываемых сред, так как при этом появляется поперечная возбуждающая сила, способствующая быстрому отклонению пластины от вертикальной оси, которая зависит от наличия и величины эксцентриситета б - несовпадения центра массы пластины и оси вращения приводного вала и шарнира. Поэтому использование несимметричных перемешивающих устройств в виде продольных плоских пластин позволяет значительно снизить их скорость вращения, по сравнению с прототипом (круглый вал цилиндрической формы с несимметрично расположенными лопастями по техническому решению), для достижения той же степени перемешивания. В свою очередь снижение скорости вращения перемешивающего устройства уменьшает потребляемую мощность на перемешивание, так как при всех прочих равных условиях потребляемая мощность N_пот ≈ μ ˙ n² зависит в квадрате от скорости вращения n перемешивающего устройства.

Величина эксцентриситета б зависит от габаритов реактора, вязкости обрабатываемой среды, массы пластины и других факторов и может находиться в пределах от 10 до 150 мм и более.

Перемешивающая пластина 7 может состоять из нескольких плоских пластин 8, устанавливаемых одна к другой под углом, как показано на фиг.2,а. С целью простоты изготовления и удешевления целесообразно применять стандартные профили металлопроката - уголок 9 (фиг.2,б), двутавр 10 (фиг.2,в), швеллер (фиг.2,г) и другие профили.

Перемешивающее устройство в виде одной пластины 7 целесообразно применять при обработке сред с небольшой вязкостью порядка до 10 Н ˙ с/м², а состоящие из нескольких плоских пластин, установленных под углом друг к другу, как показано на фиг.2, эффективнее использовать при обработке сред повышенной вязкости до 100 Н ˙ с/м² и выше, так как установленные под углом пластины дополнительно вызывают завихрения среды и увеличивают деформации сдвига и среза вязкой среды.

Проведенные экспериментальные работы на модельном аппарате вместимостью 150 л с тремя типами перемешивающих устройств: стандартным (шнековым), с круглым цилиндрическим валом (прототип) и установленными на нем несимметричными лопастями и плоскими несимметрично установленными пластинами, как это предусмотрено данным техническим решением, при смешении двух вязких жидкостей - крахмальной патоки и 20%-ного раствора поливинилового спирта показали следующие результаты, представленные в таблице.

Как видно из результатов опытов перемешивающее устройство в виде одной плоской пластины или двух плоских пластин, сваренных одна с другой под углом 90^о, как это предлагается данным техническим решением, заметно эффективнее, чем у прототипа и используемых в промышленности стандартных мешалок. В данном случае имеет место сокращение цикла смешения (гомогенизации) в среднем на 26% и снижение потребляемой мощности примерно на 15%.

Реактор работает следующим образом. Через патрубок 11 периодически или непрерывно загружают исходные компоненты, включают привод 3, который приводит во вращательное движение вал 5, шарнир 6 и перемешивающее устройство - плоскую пластину 7. В связи с тем, что продольная ось симметрии пластины 7, на которой находится центр тяжести массы самой пластины, установлена с эксцентриситетом б по отношению к продольной оси симметрии жесткозакрепленного вала 5 привода 3 и шарнира 6, то при первых же, самых низких оборотах пластина 7 начнет отклоняться в сторону угла α, охватывая при своем вращении практически весь реакционный объем аппарата. При достижении номинальных чисел оборотов пластина 7 полностью отклонится на угол α. Таким образом, перемешивающая пластина 7 будет совершать два движения - вращаться вокруг своей продольной оси под углом α со скоростью, которую имеет мотор-редуктор 3 и совершать прецессионное вращение вокруг продольной оси реактора со скоростью примерно в 2-3 раза меньшей номинальной скорости мотор-редуктора 3 (скорость прецессии зависит от массы пластины 7, вязкости и плотности обрабатываемой среды и других факторов).

Наличие эксцентриситета б позволяет снизить номинальную скорость вращения мотор-редуктора 3 пластины 7 при одновременном увеличении угла отклонения α, что интенсифицирует процесс перемешивания. Кроме того, так как перемешивающее устройство выполнено плоским, или даже состоит из нескольких плоских пластин, то периферийные кромки пластин при своем вращении интенсивно, по всей своей высоте, захватывают обрабатываемую среду, закручивают ее также по всей своей высоте и отбрасывают ее в разные стороны. Вокруг вращающихся пластин 7 или 8, или 9, или 10 создаются два мощных циркуляционных контура перемешивания - от непосредственного вращения указанных пластин и от прецессионного вращения, взаимодействие которых обеспечивает высокую турбулентную диффузию, высокие скорости сдвига, микромасштабную пульсацию и другие факторы, способствующие интенсивному перемешиванию обрабатываемых сред как по высоте реактора, так и в поперечном направлении.

При обработке маловязких сред и при повышенных скоростях вращения пластины 7, характеризующихся отклонениями угла α (до 30^о), когда возможно касание пластины 7 о корпус реактора, шарнир 6 должен быть выполнен с ограничителем отклонения. При применении распространенных низкооборотных мотор-редукторов (30-100 об/мин) для обработки вязких сред ограничитель отклонения ставить не надо, так как неуравновешенная центробежная сила, отклоняющая пластину 7 на угол α невелика и компенсируется массой самой пластины и вязкостью среды.

Выгрузка готового продукта производится через патрубок 12.

Предлагаемое техническое решение позволяет создать высокоэффективные укрупненные реакторы с интенсивным режимом перемешивания сред, в том числе повышенной вязкости при одновременном снижении трудоемкости их изготовления и сокращении технологического цикла обработки реакционных сред.

Сущность изобретения: в реакторе установлено шарнирно закрепленное перемешивающее устройство в виде плоской пластины, продольная ось симметрии которой установлена с эксцентриситетом относительно продольной оси симметрии вала привода. Одним из вариантов использования является выполнение устройства из двух или нескольких плоских пластин, установленных одна к другой под углом, причем общая продольная ось симметрии всех пластин также установлена с эксцентриситетом относительно продольной оси вала привода. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. 1 табл.

1. РЕАКТОР С НЕСИММЕТРИЧНЫМ ПЕРЕМЕШИВАЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ, содержащий корпус, привод с жестко закрепленным валом и установленным на его нижнем конце шарниром, соединенным перемешивающим устройством, отличающийся тем, что перемешивающее устройство выполнено в виде плоской пластины, продольная ось симметрии которой расположена с эксцентриситетом относительно продольной оси симметрии жестко закрепленного вала привода и шарнира. 2. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что перемещивающее устройство снабжено по меньшей мере одной дополнительной плоской пластиной, пересекающейся с основной пластиной по их общей продольной оси симметрии.